DCS是分布式控制系统的英文缩写.docx

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DCS是分布式控制系统的英文缩写

DCS系统的相关知识及工艺调节

一、DCS系统的定义及分类

DCS是分布式控制系统的英文缩写（DistributedControlSystem），在国内自控行业又称之为集散控制系统。

　　即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。

在系统功能方面，DCS和集中式控制系统的区别不大，但在系统功能的实现方法上却完全不同。

　　首先，DCS的骨架—系统网络，它是DCS的基础和核心。

由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。

对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。

这里所说的“确定”的时间限度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。

因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数（bps），而是系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。

系统网络还必须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。

为了满足系统扩充性的要求，系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。

这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。

在系统实际运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作员站，这样，网络重构会经常进行，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因此，系统网络应该具有很强在线网络重构功能。

　　其次，这是一种完全对现场I/O处理并实现直接数字控制（DOS）功能的网络节点。

一般一套DCS中要设置现场I/O控制站，用以分担整个系统的I/O和控制功能。

这样既可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效，提高系统可靠性，也可以使各站点分担数据采集和控制功能，有利于提高整个系统的性能。

DCS的操作员站是处理一切和运行操作有关的人机界面（HMI-HumanMachineInterface或operatorinterface）功能的网络节点。

　　系统网络是DCS的工程师站，它是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点，其主要功能是提供对DCS进行组态，配置工作的工具软件（即组态软件），并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态之下。

和集中式控制系统不同，所有的DCS都要求有系统组态功能，可以说，没有系统组态功能的系统就不能称其为DCS。

　　DCS自1975年问世以来，已经经历了二十多年的发展历程。

在这二十多年中，DCS虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变，但是经过不断的发展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高。

总的来说，DCS正在向着更加开放，更加标准化，更加产品化的方向发展。

　　作为生产过程自动化领域的计算机控制系统，传统的DCS仅仅是一个狭义的概念。

如果以为DCS只是生产过程的自动化系统，那就会引出错误的结论，因为现在的计算机控制系统的含义已被大大扩展了，它不仅包括过去DCS中所包含的各种内容，还向下深入到了现场的每台测量设备、执行机构，向上发展到了生产管理，企业经营的方方面面。

传统意义上的DCS现在仅仅是指生产过程控制这一部分的自动化，而工业自动化系统的概念，则应定位到企业全面解决方案，即totalsolution的层次。

只有从这个角度上提出问题并解决问题，才能使计算机自动化真正起到其应有的作用。

　　DCS,（DistributedControlSystem）分散控制系统的简称，国内一般习惯称之为集散控制系统。

DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。

DCS具有以下特点：

（1）高可靠性。

由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其他功能的丧失。

此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。

（2）开放性。

DCS采用开放式，标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。

1.　　DCS的定义

　　DCS是分布式控制系统的英文缩写（DistributedControlSystem），在国内自控行业又称之为集散控制系统。

　　它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。

）

　　进入九十年代以后，计算机技术突飞猛进，更多新的技术被使用到了DCS之中。

PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备，它主要用于代替不灵活而且笨重的继电器逻辑。

现场总线技术在进入九十年代中期以后发展十分迅猛，以至于有些人已做出预测：

基于现场总线的FCS将取代DCS成为控制系统的主角。

　　DCS是DataCommunicationSubsystem（数据通信子系统）的简称。

　　以轨道交通行业为例，DCS是一个纯透明的非安全性系统，他是控制中心和列车之间发送报文的载体。

　　DCS第二层涵义：

DorsalColumnStimulator[医]脊柱刺激器

　　在特殊控制领域，如核电站控制系统，DCS的含义为数字化控制系统（Digitalcontrolsystem）。

　　国内DCS主要厂家有：

浙大中控，和利时（北京，杭州），上海新华。

国外的有横河公司，霍尼韦尔公司，FOXBORO公司，山武－霍尼韦尔公司，FISHER-ROSEMOUNT公司

2.　　DCS特点和发展概述

　　　DCS是分散控制系统（DistributedControlSystem）的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。

它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。

　　　DCS具有以下特点：

（1）高可靠性由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。

此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。

（2）开放性DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。

　　（3）灵活性通过组态软件根据不同的流程使用对象进行软硬件组态，即确定测量和控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。

　　（4）易于维护功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。

　　（5）协调性各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。

　　（6）控制功能齐全控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。

DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。

处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。

生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。

随着计算机技术的发展，DCS可以按照需要和更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能，如计划调度、仓储管理、能源管理等。

3.　　DCS在国内外的发展和使用状态

　　1975年美国最大的仪表控制公司Honeywell首次向世界推出了它的综合分散控制系统TDC—2000（ToalDistributedControl-2000）,这一系统的发表,立即引起美国工业控制界高度评价,称之为“最鼓舞人心的事件”。

世界各国的各大公司也纷纷仿效,推出了一个又一个集散系统,从此过程控制进入了集散系统的新时期。

　　在此期间有日本横河公司推出的CENTUM,美国泰勒仪表公司的MOSË,费雪尔公司的DCÉ—400,贝利公司的N—90,福克斯波罗公司的Cpectrum和德国西门子公司的Telepermm。

　　随着计算机特别是微型计算机和网络技术的飞速发展,加上各制造商的激烈竞争,使DCS很快从70年代的第一代发展到90年代初的第三代DCS。

尽管在这之前的集散系统的技术水平已经很高,但其中存在着一个最主要的弊病是:

各大公司推出的几十种型号的系统,几乎都是本公司的专利产品,每个公司为了保护自身的利益,采用的都是专利网络,这就为全厂、全企业的管理带来问题。

　　随着计算机的发展和网络开发使各控制厂商更多地采用商业计算机的技术,80年代末许多公司推出新一代的集散系统,其主要特征是新系统的局部网络采用MAP协议;引用智能变送器和现场总线结构;在控制软件上引入PLC的顺序控制和批量控制,使DCS也具有PLC的功能。

　　至90年代初各国知名的DCS有:

3000,Bailey的INFI—90,Rosemount的RS—3,WestHoose的WDPF,Leeds&Nonthrup的MAX—1000,Foxboro的IöAS,日本横河的CENTUM。

这里所提到的均为大型的DCS,为了适应市场的需要各厂商也开发了不少中小型的DCS系统如S—9000,MAX—2,LXL,A2PACS等等。

PLC、DCS、FCS控制系统的特点和差异分析

2008-11-0521:

57

计算机和网络技术的飞速发展，引起了自动化控制系统结构的变革，一种世界上最新型的控制系统即现场总线控制系统（FieldbusControlSystem，FCS）在上世纪九十年代走向实用化，并正以迅猛的势头快速发展。

现场总线控制系统是目前自动化技术中的一个热点，正越来越受到国内外自动化设备制造商和用户的关注。

现场总线控制系统的出现，将给自动化领域在过程控制系统上带来又一次革命，其深度和广度将超过历史的任何一次，从而开创自动化的新纪元。

FCS可以说是第五代过程控制系统，是由PLC（ProgrammableController）或DCS（DistributedControlSystem）发展而来的。

FCS和PLC及DCS之间有千丝万缕的联系，又存在着本质的差异。

本文针对PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点、性能和差异作一分析。

1PLC、DCS、FCS三大控制系统的基本特点

目前，在连续型流程生产工业过程控制中，有三大控制系统，即PLC、DCS和FCS。

它们各自的基本特点如下：

1.1PLC

（1）从开关量控制发展到顺序控制、运算处理，是从下往上的。

（2）逻辑控制、定时控制、计数控制、步进（顺序）控制、连续PID控制、数据控制――PLC具有数据处理能力、通信和联网等多功能。

（3）可用一台PC机为主站，多台同型PLC为从站。

（4）也可一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络。

这比用PC机作主站方便之处是：

有用户编程时，不必知道通信协议，只要按说明书格式写就行。

（5）PLC网络既可作为独立DCS/TDCS，也可作为DCS/TDCS的子系统。

（6）主要用于工业过程中的顺序控制，新型PLC也兼有闭环控制功能。

1.2DCS

（1）分散控制系统DCS和集散控制系统TDCS是集4C（Communication，Computer，Control、CRT）技术于一身的监控技术，是第四代过程控制系统。

既有计算机控制系统控制算式先进、精度高、响应速度快的优点，又有仪表控制系统安全可靠、维护方便的要求。

（2）从上到下的树状拓扑大系统，其中通信（Communication）是关键。

（3）是树状拓扑和并行连续的链路结构，也有大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表。

（4）模拟信号，A/D—D/A、带微处理器的混合。

是由几台计算机和一些智能仪表智能部件组成，并逐渐地以数字信号来取代模拟信号。

（5）一台仪表一对线接到I/O，由控制站挂到局域网LAN。

（6）DCS是控制（工程师站）、操作（操作员站）、现场仪表（现场测控站）的3级结构。

缺点是成本高，各公司产品不能互换，不能互操作，大DCS系统是各家不同的。

（7）用于大规模的连续过程控制，如石化、大型电厂机组的集中控制等。

1.3FCS

（1）FCS是第五代过程控制系统，它是21世纪自动化控制系统的方向。

是3C技术（Communication，Computer，Control）的融合。

基本任务是：

本质（本征）安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。

（2）全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。

（3）用两根线联接分散的现场仪表、控制装置，取代每台仪表的两根线。

“现场控制”取代“分散控制”；数据的传输采用“总线”方式。

（4）从控制室到现场设备的双向数字通信总线，是互联的、双向的、串行多节点、开放的数字通信系统取代单向的、单点、并行、封闭的模拟系统。

（5）用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。

（6）把微机处理器转入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信能力，信号传输精度高，远程传输。

实现信号传输全数字化、控制功能分散、标准统一全开放。

（7）可上局域网，再可和internet相通。

既是通信网络，又是控制网络。

（8）3类FCS的典型使用：

1）连续的工艺过程自动控制如石油化工，其中“本安防爆”技术是绝对重要的；2）分立的工艺动作自动控制如汽车制造机器人、汽车；3）多点控制如楼宇自动化。

这三大控制系统，尤其是DCS、PLC，都在电站得到了广泛使用，而且效果也非常好。

2三大控制系统之间的差异

2.1差异

2.1.1DCS或PLC

PLC系统和DCS系统的结构差异不大，只是在功能的着重点上的不同，DCS着重于闭环控制及数据处理。

PLC着重于逻辑控制及开关量的控制，也可实现模拟量控制。

DCS或PLC系统的关键是通信。

也可以说数据公路是分散控制系统DCS及PLC的脊柱。

由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。

数据公路的媒体可以是：

一对绞线、同轴电缆或光纤电缆。

DCS的特点是：

（1）控制功能强。

可实现复杂的控制规律，如串级、前馈、解耦、自适应、最优和非线性控制等。

也可实现顺序控制。

（2）系统可靠性高。

（3）采用CRT操作站有良好的人机界面。

（4）软硬件采用模块化积木式结构。

（5）系统容易开发。

（6）用组态软件，编程简单，操作方便。

（7）有良好的性价比。

通过数据公路的设计参数，基本上可以了解一个特定DCS或PLC系统的相对优点和弱点。

（1）系统能处理多少I/O信息。

（2）系统能处理多少和控制有关的控制回路的信息。

（3）能适应多少用户和装置（CRT、控制站等）。

（4）传输数据的完整性是怎样彻底检查的。

（5）数据公路的最大允许长度是多少。

（6）数据公路能支持多少支路。

（7）数据公路是否能支持由其它制造厂生产的硬件（可编程序控制器、计算机、数据记录装置等）。

为保证通信的完整，大部分DCS或PLC厂家都能提供冗余数据公路。

为了保证系统的安全性，使用了复杂的通信规约和检错技术。

所谓通信规约就是一组规则，用以保证所传输的数据接收和发送。

目前在DCS和PLC系统中一般使用两类通信手段，即同步的和异步的，同步通信依靠一个时钟信号来调节数据的传输和接收，异步网络采用没有时钟的报告系统。

2.1.2FCS

FCS具有

（1）很好的开放性、互操作性和互换性。

（2）全数字通信。

（3）智能化和功能自治性。

（4）高度分散性。

（5）很强的适用性。

FCS的关键要点有三点：

（1）FCS系统的核心是总线协议，即总线标准。

采用双绞线、光缆或无线电方式传输数字信号，减少大量导线，提高了可靠性和抗干扰能力。

FCS从传感器、变送器到调节器一直是数字信号，这就使我们很容易地处理更复杂、更精确的信号，同时数字通信的差错功能可检出传输中的误码。

FCS可以将PID控制彻底分散到现场设备（FieldDevice）中。

基于现场总线的FCS又是全分散、全数字化、全开放和可互操作的新一代生产过程自动化系统，它将取代现场一对一的4～20mA模拟信号线，给传统的工业自动化控制系统体系结构带来革命性的变化。

根据IEC61158的定义，现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置和控制室内的自动控制装置之间的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。

现场总线使测控设备具备了数字计算和数字通信能力，提高了信号的测量、传输和控制精度，提高了系统和设备的功能、性能。

IEC/TC65的SC65C/WG6工作组于1984年开始致力于推出世界上单一的现场总线标准工作，走过了16年的艰难历程，于1993年推出了IEC61158-2，之后的标准制定就陷于混乱。

2000年初公布的IEC61158现场总线国际标准子集有八种，分别为：

①类型1IEC技术报告（FFH1）；②类型2Control-NET（美国Rockwell公司支持）；③类型3Profibus（德国Siemens公司支持）；④类型4P-NET（丹麦ProcessData公司支持）；⑤类型5FFHSE（原FFH2）高速以太网（美国FisherRosemount公司支持）；⑥类型6Swift-Net（美国波音公司支持）；⑦类型7WorldFIP（法国Alsto公司支持）；⑧类型8Interbus（美国PhoenixContact公司支持）。

除了IEC61158的8种现场总线外，IECTC17B通过了三种总线标准：

SDS（SmartDistributedSystem）；ASI（ActuatorSensorInterface）；DeviceNET。

另外，ISO公布了ISO11898CAN标准。

其中DeviceNET于2002年10月8日被中国批准为国家标准，并于2003年4月1日开始实施。

所以，要实现这些总线类型的相互兼容和互操作，就目前状态而言，几乎是不可能的。

开放的现场总线控制系统的互操作性，就一个特定类型的现场总线而言，只要遵循同一类型现场总线的总线协议，对其产品是开放的，并具有互操作性。

换句话说，不论什么厂家的产品，也不一家是该现场总线公司的产品，只要遵循同一类型总线的总线协议，产品之间是开放的，并具有互操作性，就可以组成总线网络。

另外，FCS还可以通过网关和企业的上级管理网络相连，以便管理者掌握第一手资料，为决策提供依据。

所以现场总线具有开放性、互操作性、系统结构的高度分散性、灵活的网络拓扑结构、现场设备的高度智能化、对环境的高度适应性等诸多突出特点。

（2）FCS系统的基础是数字智能现场装置

控制功能下放到现场仪表中，控制室内仪表装置主要完成数据处理、监督控制、优化控制、协调控制和管理自动化等功能。

数字智能现场装置是FCS系统的硬件支撑，是基础；道理很简单，FCS系统执行的是自动控制装置和现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。

现场装置必须遵循统一的总线协议，即相关的通讯规约，具备数字通信功能，能实现双向数字通。

再一点，现场总线的一大特点就是要增加现场一级控制功能。

（3）FCS系统的本质是信息处理现场化

对于一个控制系统，无论是采用DCS还是采用现场总线，系统需要处理的信息量至少是一样多的。

实际上，采用现场总线后，可以从现场得到更多的信息。

现场总线系统的信息量没有减少，甚至增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。

这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力，另一方面要让大量信息在现场就地完成处理，减少现场和控制机房之间的信息往返。

可以说现场总线的本质就是信息处理的现场化。

由现场智能仪表完成数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能。

现场仪表的数据（包括采集的数据和诊断数据）通过现场总线传送到控制室的控制设备上，控制室的控制设备用来监视各个现场仪表的运行状态，保存智能仪表上传的数据，同时完成少量现场仪表无法完成的高级控制功能。

2.2典型系统比较

通过使用现场总线，用户可以大量减少现场接线，用单个现场仪表可实现多变量通信，不同制造厂生产的装置间可以完全互操作，增加现场一级的控制功能，系统集成大大简化，并且维护十分简便。

典型的现场总线系统框图示于图1。

从图1中可以看出，传统的过程控制仪表系统每个现场装置到控制室都需使用一对专用的电缆或双绞线，以传送4mA~20mA信号。

图2所示现场总线系统中，每个现场装置到接线盒的双绞线仍然可以使用，但是从现场接线盒到中央控制室仅用一根双绞线完成数字通信。

通过采用现场总线控制系统，到底能节省多少电缆，编者就不作详细的计算。

2.3使用差异

上述的比较是偏重于纯技术性的比较，下面就DCS和FCS系统在具体使用方面进行比较。

前题是DCS系统和典型的、理想的FCS系统进行比较。

具体比较：

（1）DCS系统是个大系统，其控制器的功能强而且在系统中的作用十分重要，数据公路更是系统的关键，所以，必须整体投资一步到位，事后的扩容难度较大。

而FCS功能下放较彻底，信息处理现场化，数字智能现场装置的广泛采用，使得控制器功能和重要性相对减弱。

因此，FCS系统投资起点低，可以边用、边扩、边投运。

（2）DCS系统是封闭式系统，各公司产品基本不兼容。

而FCS系统是开放式系统，不同厂商、不同品牌的各种产品基本能同时连入同一现场总线，达到最佳的系统集成。

（3）DCS系统的信息全都是二进制或模拟信号形成的，必须通过D/A和A/D转换。

而FCS系统将D/A和A/D转换在现场一次表完成，实现全数字化通信，使精度得到大的提高，可提高到0.1%。

并且FCS系统可以将PID闭环控制功能装入现场设备中，缩短了控制周期，提高运算速度，从而改善调节性能。

（4）DCS它可以控制和监视工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。

但是，由于自身的致命弱点，其I/O信号采用传统的模拟量信号，因此，它无法在DCS工程师站上对现场仪表（含变送器、执行器等）进行远方诊断、维护和组态。

FCS采用全数字化技术，数字智能现场装置发送多变量信息，而不仅仅是